JP2004061322A - Topology profiler - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面形状測定装置に関する。詳しくは、三次元測定装置などに取り付けたプローブを被測定物表面に沿って倣い移動させて、被測定物表面を測定する表面形状測定装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
三次元測定機などに取り付けた接触式あるいは非接触式プローブを被測定物表面に沿って相対移動させることにより、被測定物表面形状を測定する表面形状測定装置が知られている。
例えば、表面形状測定装置１は、図１０に示されるように、被測定物Ｗの表面に接触する接触部２２を有する接触式プローブ２と、この接触式プローブ２をＸ、ＹおよびＺ方向に駆動させる駆動機構３と、この駆動機構３を介して接触式プローブ２の接触部２２の移動を制御するコントローラ部４とを備える。
【０００３】
接触式プローブ２は、図１１に示されるように、先端に接触部２２を有するスタイラス２１と、このスタイラス２１を支持するスタイラスホルダ２３と、このスタイラスホルダ２３に設けられスタイラス２１を軸方向に固有振動数で定常振動させる加振手段と、スタイラス２１の振動変化を検出して検出信号を出力する検出手段とを備える。
加振手段は、スタイラスホルダ２３に設けられスタイラス２１を振動させる圧電素子と、この圧電素子に所定周波数の出力信号（パルスあるいは正弦波信号など）を印加する加振回路２５とで構成され、検出手段は、スタイラスの振動を電圧変換する圧電素子と、この圧電素子からの電圧を検出して検出信号を出力する検出回路２７とから構成されている。
【０００４】
駆動機構３は、従来の三次元測定装置に用いられるＸ、ＹおよびＺ方向スライド機構を備えたものが利用される。駆動機構の各軸には駆動量を検出するリニアエンコーダが設けられている。
【０００５】
このような構成において、図１２に示すように、接触部２２を被測定物表面に沿って移動させると、接触部２２と被測定物表面との位置関係により、図１３（Ｄ）に示されるような検出信号の変化が生じる。接触部２２がフリーの状態（Ａ）から接触部２２が被測定物表面に接触を開始し（Ｂ）、所定の押込み量ｄで接触部が被測定物表面に接触したとき（Ｃ）、接触部２２の振動が束縛されて、検出信号が予め設定された参照値に達する。
ここで、参照値は、接触部２２がフリーの状態（非接触の状態）で検出される検出信号値から接触部２２が所定押込み量ｄで押込まれた際の信号変化分を減じたものとして予め設定されるものである。
【０００６】
検出信号値が参照値となるように接触部２２を被測定物表面に沿って倣い移動させ、検出信号が参照値に達したときのプローブ２の位置情報を駆動機構のＸ、Ｙ、Ｚ軸スライド量からサンプリングする。サンプリングされたプローブ２の位置情報から押込み量ｄを減じて接触部２２と被測定物表面との接点を算出することにより、被測定物表面の形状を知ることができる。
【０００７】
ところで、測定中に周囲の温度が変化した場合、スタイラス２１の長さが熱変化する場合がある。スタイラス２１の長さが熱変化すると、スタイラス２１の固有振動数が変化する。スタイラス２１の固有振動数が変化すると、加振回路２５からスタイラス２１に与えられるパルス周波数とスタイラス２１の固有振動数との間にずれが生じる。加振回路２５からスタイラス２１の固有振動数からずれたパルスが加えられると、一般的に、スタイラス２１の振動は定常振動からずれて振動振幅は小さくなる。周囲の温度変化による検出信号の変化の様子を図１４に示す。
【０００８】
周囲の温度が図１４（Ａ）のように変化した場合、スタイラス長さの熱変化によりスタイラス２１の振動振幅が変化する。すると、図１４（Ｂ）に示されるように、検出回路２７からの検出信号が変化する。このとき、接触部２２が被測定物表面に接触していなくても温度変化によるスタイラス２１の振動変化により、図１４（Ｂ）中の点Ｐに示されるように、検出信号が参照値に達してしまう場合が起こり得る。このとき、接触部２２が被測定部物表面に接触していないときでもプローブ２の位置情報がサンプリングされてしまい、誤った測定が行われてしまう。
接触部２２が被測定物表面に接触した場合でも、温度変化によりスタイラス２１の振動が小さくなっているので、所定押込み量ｄに達する前に接触部２２が被測定物表面にわずかに接触しただけで検出信号が参照値に達する。このとき、一定の押込み量ｄに基づいて補正演算を行うと、被測定物表面の位置を正確に求めることができない。
【０００９】
例えば、図１５に示されるように、穴の内壁面を倣い測定する場合、検出信号値が参照値になるように接触部２２を倣い移動させると、押込み量が所定押込み量ｄよりも小さい値で倣い移動が実行されてしまう。
スタイラス２１が定常振動している場合には、所定押込み量ｄで検出信号値が参照値に達するので、図１５中のＬ１のラインに沿った位置情報をサンプリングすることができる。Ｌ１のラインから所定押込み量ｄだけ減じた補正を行えば、正確な被測定物表面の形状を求めることができる。
これに対し、温度変動によってスタイラス２１の振動振幅が小さくなっている場合には、検出信号が参照値になるように倣い移動を実行すると、所定押込み量ｄよりも小さい押込み量ｄ’（ｄ’＜ｄ）で倣い移動が行われることになる。すなわち、図１５中のＬ２のラインの位置情報をサンプリングすることになる。Ｌ２のラインから所定押込み量ｄを減じた補正を行ってしまうと、実際の穴の径よりも小さい測定結果を得ることになる。
【００１０】
温度変動による測定誤差を解決するために、本出願人は、特開平１０−１１１１４３号公報において、温度変化に応じた参照値を生成する接触検知回路を提案している。
この接触検知回路１０は、図１６に示されるように、検出回路２７から出力される検出信号のうち高周波変動を遮断して低周波変動だけを抜き出すローパスフィルタ４１と、ローパスフィルタ４１を通過した低周波信号から所定値だけ減じた参照値を生成する参照値生成回路４２と、検出回路２７からの検出信号と参照値生成回路で生成された参照値とを比較する差分器５１とを備えて構成されている。
参照値生成回路４２は、接触部２２を被測定物表面に所定押込量ｄだけ押込んだときの検出信号の変化分ΔＳをローパスフィルタ４１により抽出した低周波変動から減じて参照値を生成する。
【００１１】
このような構成において、ローパスフィルタ４１によって検出信号のうち、温度変動による低周波変動Ｓ２のみを抜き出す。参照値生成回路により、所定押込み量ｄを押込んだ際の検出信号変化分を低周波変動から減じて、図１７に示されるように、参照値Ｓ４を生成する。この参照値Ｓ４と検出回路２７からの検出信号を差分器５１で比較し、検出信号が参照値Ｓ４に達したところで、プローブ２の位置情報をサンプリングするトリガを出力する。すると、温度変動のある測定環境下においても、所定押込量ｄとするプローブ２の位置情報を得ることができる。よって、プローブ２の位置情報から所定押込量ｄを減じる補正演算を行えば、被測定物表面形状を正確に求めることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記接触検知回路１０は、接触部２２がフリーの状態の検出信号から所定値ΔＳを減じる構成である。例えば、タッチ信号プローブのように、被測定物から離隔した位置から接触部２２を被測定物表面に接触させ、また接触部２２を離隔させた後に接触部２２を被測定物に接触させる場合には適用できる。すなわち、接触部２２がフリーの状態の検出信号を得ることができるので、この検出信号から温度変動を加味した参照値を生成することができる。
しかしながら、例えば、倣いプローブを用いて倣い測定する場合、倣い移動時には接触部２２がフリーの状態の検出信号を得ることができないので、参照値を生成することができないという問題が生じる。すると、温度変動がある測定環境下では、倣い測定によって正確に被測定物表面形状を求めることはできないという問題が生じる。
【００１３】
このような問題は、接触式の振動プローブに限らず、スタイラス２１の歪み量を歪みゲージで検出して接触部２２と被測定物表面との接触を検出する倣いプローブや、非接触式の倣いプローブにも生じる問題である。
倣いプローブの場合、周囲の温度変動により接触部の径の変化やスタイラス長の変化が生じるため、歪みゲージの検出値が所定値であってもスタイラス２１の歪み量（押込量）が所定量であるとは限らない。
また、オフセット量を焦点距離とする倣い移動を行う非接触式の倣いプローブの場合、周囲の温度変化により光学系の焦点距離が変化するので、焦点を合わしたときのオフセット量が一定になるとは限らない。
そのため、温度変化を生じる測定環境下における倣い移動によりプローブの位置情報を一定の歪み量（押込量）やオフセット量で補正演算しても、正確な被測定物表面形状を得ることはできないという問題が生じる。
【００１４】
本発明の目的は、従来の問題を解消し、温度変化がある測定環境下における倣い測定により正確に被測定物表面形状を測定することができる表面形状測定装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の表面形状測定装置は、被測定物表面を検出する検出部および前記検出部と前記被測定物表面との相対位置関係を検出して検出信号を出力する検出手段を有するプローブと、前記検出部を前記被測定物表面に沿って倣い移動させる走査手段と、前記検出部と前記被測定物表面との相対位置が基準位置にあるときの前記検出信号を参照値として前記検出信号が前記参照値になるように前記走査手段を制御する制御手段とを備える表面形状測定装置であって、前記検出部が前記被測定物表面と関与していない状態の検出信号から温度変化による検出信号変動を抜き出す抽出手段と、前記抽出手段で抽出された前記検出信号変動を変換処理して前記参照値を生成する参照値生成手段と、前記検出部と前記被測定物表面とを倣い移動させる際に前記参照値生成手段で生成された前記参照値をホールドする参照値ホールド手段と、前記参照値ホールド手段の前記参照値を所定のタイミングで更新する参照値更新手段とを備えて構成されていることを特徴とする。
【００１６】
このような構成において、検出信号が参照値になるように走査手段が制御手段によって制御される。すると、検出部と被測定物表面との相対位置が基準位置の関係を保って倣い移動される。検出部と被測定物表面とが基準位置関係を保っていれば、倣い移動時の検出部の移動軌跡を補正演算することにより被測定物表面形状を知ることができる。
ここで、検出部と被測定物表面とが基準位置関係にあるときの検出信号値を参照値として設定し、検出信号が参照値になるようにすれば検出部と被測定物表面とを基準位置とする倣い移動を行うことができる。
【００１７】
しかしながら、周囲の温度が変化した場合、検出信号は温度変化の影響を受けて変化する。例えば、振動接触式プローブではスタイラスの熱変化のためにスタイラスの固有振動数が変化することが考えられる。倣いプローブにおいては接触球やスタイラス長さが変化することが考えられる。光学式の非接触プローブでは、光学系の焦点位置変化などが考えられる。このように検出信号が温度変化の影響を受けると、検出部と被測定物表面が基準位置にあるときの検出信号の値も変化してしまう。温度変化による検出信号変動がある環境下では、温度に関係なく一定値に固定した参照値に基づいて倣い移動しても、検出部と被測定物表面とを基準位置に保つことができない。
そこで、温度変化による検出信号の変動を抽出して、温度変化による検出信号変動から検出部と被測定物表面が基準位置にあるときの検出信号値、すなわち参照値を生成する。温度変動を加味して生成された参照値に基づいて倣い移動を実行する。すると、温度変動がある測定環境下においても、検出部と被測定物表面とを基準位置とした倣い移動を行うことができる。その結果、プローブ軌跡から正確に被測定物表面形状を知ることができると思料される。
【００１８】
上記技術的思想に基づいてなされた本発明の表面形状測定装置は、参照値生成手段により参照値を生成する。参照値を生成する際には、まず、抽出手段により、検出部が被測定物表面と関与しないフリーの状態で、測定環境の温度変化による検出信号変動を抜き出す。参照値生成手段により抽出手段で抜き出された検出信号変動を変換処理して参照値を生成する。例えば、抽出された検出信号変動から所定値を減じたり、検出信号変動に所定係数を乗じたりして、検出部と被測定物表面とが基準位置になるときの参照値を生成する。
【００１９】
参照値ホールド手段は、参照値生成手段で生成された参照値をホールドする。検出部と被測定物表面とが倣い移動を行っているときには、温度変化による検出信号変動を抽出できないので参照値を生成することはできない。そこで、参照値ホールド手段で参照値をホールドし、このホールドされた参照値に基づいて検出部と被測定物表面とを倣い移動させる。すると、温度変化を加味して生成された参照値に基づいて検出部と被測定物表面とを基準位置とする倣い移動を実現することができる。よって、このときの検出部の移動軌跡から被測定物表面の形状を正確に知ることができる。
【００２０】
さらに、倣い移動を行っている間に測定環境の温度が変化して、検出部と被測定物表面が基準位置となる参照値が変化する場合がある。参照値更新手段は、所定のタイミングで倣い移動を中止させて検出部をフリーの状態にし、新たに参照値を生成させて参照値ホールド手段の参照値を更新させる。この更新された参照値に基づいて倣い移動を行えば、温度変化が倣い移動の間に生じた場合でも、検出部と被測定物表面とを基準位置とした倣い移動を行うことができる。
このように、温度変化に応じた参照値を生成するとともに、温度変化に追従して参照値を更新することにより、温度変動に対してロバストな倣い移動を実現することができる。
【００２１】
請求項２に記載の表面形状測定装置は、請求項１に記載の表面形状測定装置において、前記プローブは、先端に前記検出部を有するスタイラスと、前記スタイラスを振動させる加振手段と、前記スタイラスの振動状態を検出する前記検出手段としての振動検出手段とを備え、前記抽出手段は、前記温度変動による検出信号変動として前記検出信号の低周波変動のみを抜き出すローパスフィルタを備えて構成されていることを特徴とする。
【００２２】
このような構成において、例えば、検出部としての接触部を有するスタイラスでは、加振手段によりスタイラスを振動させ接触部を被測定物表面に接触させると、接触部が被測定物表面によって束縛されてスタイラスの振動状態が変化する。振動検出手段によりスタイラスの振動状態を検出して、振動状態に応じた検出信号を出力する。
測定環境の温度が変化すると、熱変化によりスタイラス長さや接触部の寸法が変化される。加振手段からスタイラスに与えられる振動が固定周期であると、スタイラス長さが変化することにより、スタイラスの振動状態が変化する。すなわち、振動検出手段から出力される検出信号が変化する。このとき、温度変化によるスタイラス長さの熱変化は周期が長い低周波変動であるので、抽出手段としてのローパスフィルタによりスタイラスの振動から低周波変動を抽出すれば、温度変化による検出信号変動を抽出することができる。
【００２３】
請求項３に記載の表面形状測定装置は、請求項１または２に記載の表面形状測定装置において、前記検出信号と前記参照値生成手段で生成された前記参照値との一致を検出する一致検出手段を備え、前記参照値ホールド手段は、前記一致検出手段で前記検出信号と前記参照値生成手段で生成された前記参照値との一致が検出されたときの前記参照値をホールドすることを特徴とする。
【００２４】
このような構成において、参照値生成手段により、検出部がフリーの状態で参照値が温度変化に追従して生成される。検出部と被測定物表面との倣い移動を始めるにあたって、検出部を被測定物表面に接近させていく。一致検出手段で検出信号と生成された参照値との一致を検出し、検出信号と生成された参照値が一致したところで検出部と被測定物表面とが基準位置に達したと判断する。このときの参照値の値を参照値ホールド手段でホールドする。以後、このホールドされた参照値に基づいて検出部と被測定物表面とを倣い移動させる。
このように、一致検出手段が設けられ、倣い移動を開始して検出信号と生成された参照値が一致した時点の参照値をホールドする。よって、倣い移動を開始する時点での測定環境温度に応じた参照値に基づいて倣い移動を実行することができる。その結果、測定環境の温度を最大限反映した参照値を用いた倣い移動を実現できるので、正確に被測定物表面の形状を測定することができる。
【００２５】
請求項４に記載の表面形状測定装置は、請求項１または２に記載の表面形状測定装置において、前記参照値ホールド手段は、前記検出部が前記被測定物表面から離間した位置より前記被測定物表面に向かって移動を開始した時点で前記参照値生成手段で生成された前記参照値をホールドすることを特徴とする。
【００２６】
このような構成において、参照値生成手段により、検出部がフリーの状態で参照値が温度変化に追従して生成される。検出部と被測定物表面との倣い移動を始めるにあたって、検出部が被測定物表面に向かって移動を開始した時点で、生成された参照値を参照値ホールド手段でホールドする。以後、このホールドされた参照値に基づいて検出部と被測定物表面とを倣い移動させる。このように、検出部が被測定物表面に向かって移動を開始した時点で参照値をホールドすれば、参照値のホールドタイミングを指示するために参照値と検出信号の一致を検出する一致検出手段などを必要としないので、構成を簡便なものとできる。検出部を被測定物表面に向かって移動させる時点の参照値をホールドしたとしても、測定環境が温度管理されて温度変化が微小であるならば、ホールドされた参照値は十分測定環境の温度を反映したものとなる。よって、検出部と被測定物表面とを基準位置とした倣い移動を行うことができる。
【００２７】
請求項５に記載の表面形状測定装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の表面形状測定装置において、前記参照値更新手段は、予め設定された一定時間毎に前記検出部と前記被測定物表面との倣い移動を中止させ、前記参照値を更新することを特徴とする。
【００２８】
このような構成によれば、参照値更新手段は、一定時間ごとに倣い移動を中止させて検出部をフリーの状態とする。検出部がフリーの状態で測定環境の温度に応じた参照値を生成させ、新たに生成された参照値を参照値ホールド手段にホールドさせることで参照値を更新させる。
参照値をホールドしている時間が長くなると、この間に測定環境の温度が変化する場合が考えられる。すると、検出部と被測定物表面が基準位置となる参照値の値が変化し、検出部と被測定物表面とを基準位置に保つことができなくなる。しかし、本発明によれば、一定時間ごとに参照値を更新するので、測定環境の温度を反映した参照値に基づいて検出部と被測定物表面とを基準位置とする倣い移動を行うことができる。
【００２９】
請求項６に記載の表面形状測定装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の表面形状測定装置において、前記プローブの近傍温度または前記プローブの温度を測定する温度測定手段を備え、前記参照値更新手段は、前記温度が予め設定された設定温度幅以上に変化した場合に、前記検出部と前記被測定物表面との倣い移動を中止させ、前記参照値を更新することを特徴とする。
【００３０】
このような構成によれば、温度測定手段でプローブ近傍の温度またはプローブの温度を測定する。温度測定手段で測定される温度が設定された幅以上に変化したとき、参照値更新手段によって測定環境の温度を反映した参照値に更新する。すなわち、温度測定手段で温度を測定して、ホールドされた参照値では検出部と被測定物表面とを基準位置とすることができなくなったときに参照値を更新する。よって、測定環境の温度変化に対応して適時参照値を更新することができる。その結果、温度変化がある測定環境下でも正確な倣い移動を行うことで、正確に被測定物表面形状を測定することができる。
例えば、突発的な温度変動が生じた場合でも、温度変化を感知して参照値を更新するので、温度管理が不十分な測定環境下でも、正確な測定を行うことができる。
【００３１】
設定温度幅は、所望の測定精度に応じて設定すればよい。例えば、精密な測定を行う場合には、設定温度幅を小さくしてわずかな温度変化でも参照値を更新するようにすればよい。または、粗い測定でもよい場合には、設定温度幅を大きくすればよい。すると、参照値を更新する回数が少なくなるので、測定スピードが速くなる。
【００３２】
請求項７に記載の表面形状測定装置は、請求項１〜６のいずれかに記載の表面形状測定装置において、前記参照値ホールド手段および前記参照値更新手段は、前記参照値生成手段で生成された前記参照値を取り込むアナログ−デジタルコンバータと、前記アナログ−デジタルコンバータで取り込んだ前記参照値をデジタル処理してホールドするとともに適宜更新するデジタルシグナルプロセッサと、前記デジタルシグナルプロセッサから前記参照値を出力するデジタル−アナログコンバータとを備えて構成されていることを特徴とする。
【００３３】
このような構成によれば、参照値生成手段で生成された参照値をアナログ−デジタルコンバータ（ＡＤコンバータ）でデジタル変換する。デジタル変換された参照値がデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）でホールドされる。ホールドされた参照値はデジタル−アナログコンバータ（ＤＡコンバータ）で変換されて出力される。また、ＤＳＰは、ホールドした参照値を適宜更新する。
【００３４】
請求項８に記載の表面形状測定装置は、請求項１〜６のいずれかに記載の表面形状測定装置において、前記参照値ホールド手段は、サンプルホールド回路を備えて構成されていることを特徴とする。
【００３５】
このような構成によれば、サンプルホールド回路（サンプルアンドホールド回路）は、参照値生成手段で生成された参照値をホールドする。また、サンプルホールド回路は、ホールドした参照値を適宜更新する。
【００３６】
請求項９に記載の表面形状測定装置は、被測定物表面を検出する検出部および前記検出部と前記被測定物表面との相対位置関係を検出して検出信号を出力する検出手段を有するプローブと、前記検出部を前記被測定物表面に沿って倣い移動させる走査手段と、前記検出部と前記被測定物表面との相対位置が基準位置にあるときの前記検出信号を参照値として前記検出信号が前記参照値となるように前記走査手段を制御する制御手段とを備える表面形状測定装置であって、前記参照値を設定する参照値設定手段と、前記プローブの近傍温度または前記プローブの温度を測定する温度測定手段とが設けられ、前記参照値設定手段は、前記温度に基づいて前記参照値を設定することを特徴とする。
【００３７】
このような構成によれば、温度測定手段によって測定された温度に基づいて、参照値が設定される。例えば、温度を変数として参照値を求める関数を前もって実験的あるいは理論的に決定しておき、この関数計算を行うことによって参照値を求めることが出来る。このように温度変化に応じて、適宜参照値を設定できるので、温度変動に対してロバストな倣い移動を実現することができる。
【００３８】
請求項１０に記載の表面形状測定装置は、請求項９に記載の表面形状測定装置において、前記参照値設定手段は、前記温度と前記参照値との関係を記録したテーブルと、前記温度測定手段の測定温度に対応した前記参照値を読み出してホールドする参照値ホールド手段と、前記温度が予め設定された温度幅以上に変化した場合に、前記参照値ホールド手段の前記参照値を更新する参照値更新手段とを備えて構成されていることを特徴とする。
【００３９】
このような構成によれば、温度に応じた参照値を記録したテーブルから温度測定手段での測定温度に対応した参照値を読み出す。読み出した参照値を参照値ホールド手段でホールドする。このホールドされた参照値に基づいて検出部と被測定物表面とを倣い移動させる。測定温度が設定された温度幅以上に変化した場合には、新たにテーブルから測定環境の温度に対応した参照値を読み出して参照値ホールド手段でホールドする。
このように、温度変化に応じた参照値を予め記録しておいて、温度変化に追従して参照値を更新することにより、温度変動に対してロバストな倣い移動を実現することができる。
【００４０】
請求項１１に記載の表面形状測定装置は、スタイラスの先端に設けられて被測定物表面を検出する検出部および前記検出部と前記被測定物表面との相対位置関係を検出して検出信号を出力する検出手段を有するプローブと、前記検出部を前記被測定物表面に沿って倣い移動させる走査手段と、前記検出部と前記被測定物表面との相対位置が基準位置にあるときの前記検出信号を参照値として前記検出信号が前記参照値となるように前記走査手段を制御する制御手段とを備える表面形状測定装置であって、前記スタイラスを振動させる加振手段と、前記スタイラスの近傍温度または前記スタイラスの温度を測定する温度測定手段と、前記温度に基づいて発振周波数を設定する周波数設定手段とが設けられ、前記周波数設定手段の出力に基づいて前記加振手段の発振周波数を設定することを特徴とする。
【００４１】
このような構成によれば、スタイラスを振動させる加振手段における発振周波数を、温度測定手段において測定された温度に基づいて最適な周波数に変更することができる。例えば、スタイラスやスタイラス近傍の温度が変化すると、スタイラスの長さや検出部の寸法が変化し、それによってスタイラスの固有振動数が変化する。この状態で加振手段の発振周波数を一定に保ったままにすると、振動振幅が減少し、検出手段による検出信号が変動し、安定な倣い移動が出来なくなる。そこで、スタイラスやスタイラス近傍の温度を測定し、この温度に応じて変化したスタイラスの固有振動数に相当する周波数を加振手段において発振させれば、検出手段による検出信号の変動が抑制されるので、温度変動に対してロバストな倣い移動を実現することができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。
（第１実施形態）
本発明にかかる表面形状測定装置の第１実施形態を図１に示す。
この表面形状測定装置１は、被測定物表面に接触する接触部２２を有する接触式プローブ２と、この接触式プローブ２を被測定物表面に沿って移動させる駆動機構３と、駆動機構３を制御するコントローラ部４とを備えて構成されている。
【００４３】
プローブ２および駆動機構３は、背景技術で説明したものと同様のものが使用できる。
接触式プローブ２は、先端に検出部としての接触部２２を有するスタイラス２１と、このスタイラス２１を支持するスタイラスホルダ２３と、このスタイラスホルダ２３に設けられスタイラス２１を軸方向に振動させる圧電素子２４と、この圧電素子２４にスタイラス２１の固有振動数を有する信号（パルスあるいは正弦波信号など）を出力する加振回路２５と、スタイラス２１の振動変化を電圧変換する圧電素子２６と、この圧電素子２６からの電圧変化を検出して検出信号として出力する検出回路２７とを備える。
ここで、加振回路２５および加振回路２５の側の圧電素子２４より加振手段が構成され、検出回路２７および検出回路２７の側の圧電素子２６より検出手段（振動検出手段）が構成されている。
【００４４】
加振回路２５から出力される信号の周波数は固定されたものであり、標準温度（例えば２０℃）でスタイラス２１を定常振動させる周波数に設定されている。
ここで、スタイラス２１の振動状態と測定環境の温度変化との関係について説明する。例えば、図２（Ａ）に示されるように温度が変化した場合について考える。温度が変化するとスタイラス２１の長さが熱変化するため、スタイラス２１の固有振動数も変化する。固有振動数が変化した場合に、一定周波数の信号でスタイラス２１を振動させるとスタイラス２１の振動が定常振動からずれてしまう。このとき、接触部２２を被測定物表面と関与させない状態（フリーの状態）での検出信号は、例えば、図２（Ｂ）中Ｓ１に示されるように、スタイラス２１の振動変動にあわせて変動する。（Ｂ）中、Ｓ１は検出回路２７で検出される検出信号を示し、Ｓ２は、検出信号の直流信号レベルを示す。温度変動によるスタイラス２１の熱変化によって、検出信号Ｓ１の直流信号レベルＳ２は緩やかな低周波変動を示す。
さらに、接触部２２を被測定物表面に接触させると、接触部２２が束縛されることによりスタイラス２１の振動が減じられ、（Ｂ）中Ｓ３に示すように検出信号が急減する。接触部２２が被測定物表面に対して所定押込み量ｄで押込まれて接触部２２と被測定物表面とが基準位置に達したときに、検出信号が参照値に一致することになるが、これについては後述する。
【００４５】
プローブ２を駆動させる走査手段としての駆動機構３は、例えば、背景技術で説明した三次元測定装置を用いることができる。
【００４６】
コントローラ部４は、検出信号から温度変化による検出信号変動を抜き出す抽出手段としてのローパスフィルタ４１と、ローパスフィルタ４１で抽出された検出信号を変換処理して参照値を生成する参照値生成手段としての参照値生成回路４２と、生成された参照値と検出信号とを比較して参照値のホールドタイミングを指令する比較回路４３と、比較回路４３からの指令を受けて参照値をホールドするとともに所定のタイミングで更新する参照値設定部４４と、ホールドされた参照値と検出信号とを比較する差分器５１と、差分器５１による比較結果に基づいて駆動機構３に動作指令を出力する動作指令部５２とを備えて構成されている。
【００４７】
ローパスフィルタ４１は、検出信号Ｓ１から低周波の信号だけを抜き出すフィルタである。検出信号のうち高周波成分をカットして低周波のみを抜き出すことにより、温度変化によって低周波で変化する検出信号の直流電流レベルＳ２のみを抜き出すことができる。
【００４８】
参照値生成回路４２は、ローパスフィルタ４１で抜き出された検出信号の直流信号レベルＳ２から所定値ΔＳを減じて参照値Ｓ４を生成する。
ここで、所定値ΔＳは、接触部２２がフリーの状態から被測定物表面に対して所定の押込量ｄで押込まれた際の直流信号レベルの変化分である。検出信号の直流電流レベルＳ２から所定値ΔＳを減じて参照値を生成することにより、生成された参照値は、検出部と被測定物表面との相対位置関係が所定押込量ｄとなるときの検出信号の直流信号レベルを表すことになる。
【００４９】
比較回路４３は、検出信号と参照値生成回路４２で生成される参照値とを比較して、検出信号と参照値とが一致したところで参照値設定部４４に参照値をホールドするトリガを出力する。
図２（Ｂ）に示されるように、接触部２２がフリーの状態では検出信号Ｓ１が検出される。接触部２２と被測定物表面との倣い測定を開始するにあたって、接触部２２が被測定物表面に接触し始めるとスタイラス２１の振動が束縛されて、検出信号がＳ３に示されるように減衰する。接触部２２が被測定物表面に所定押込量ｄで押込まれたとき、検出信号が参照値生成回路４２で生成される参照値Ｓ４に一致する。このとき、図２（Ｃ）のタイミングチャートに示されるように、比較回路４３から出力されるトリガ信号がＨレベルになり、検出信号と生成された参照値が一致した時点での参照値が参照値設定部４４でホールドされる。以後、このホールドされた参照値に基づいて接触部２２と被測定物表面との倣い移動が実行される。
ここに、比較回路４３により一致検出手段が構成される。
【００５０】
参照値設定部４４は、参照値生成回路４２で生成された参照値をデジタル変換するＡＤコンバータ４５（アナログ−デジタルコンバータ：ＡＤＣ）と、デジタル変換された参照値をホールドするとともに所定のタイミングで更新するＤＳＰ４６（デジタルシグナルプロセッサ）と、ホールドした参照値をアナログ変換して出力するＤＡコンバータ５０（デジタル−アナログコンバータ：ＤＡＣ）とを備えて構成されている。
ＤＳＰ４６は、デジタル変換された参照値をホールドする参照値ホールド部４７と、参照値ホールド部４７が参照値をホールドしてからの時間をカウントするカウンタ４８と、参照値ホールド部４７の参照値を更新する時間を記憶しておく時間設定部４９とを備えている。
【００５１】
参照値ホールド部４７は、比較回路４３より出力されるトリガを受けた時点の参照値をホールドする。ホールドした参照値は、ＤＡコンバータ５０によってアナログ変換された後、差分器５１に出力される。
カウンタ４８は、参照値ホールド部４７が参照値をホールドした時点から時刻をカウントする。
時間設定部４９は、参照値ホールド部４７での参照値のホールド時間を記憶している。つまり、ホールドされた参照値を用いた倣い移動の継続時間として予め設定された時間を記憶している。この設定時間は、所望の測定精度に応じて設定されればよい。例えば、測定環境の温度変化に対して鋭敏な測定を行いたい場合には、設定時間を短くすればよい。カウンタ４８の時刻が設定された時間に達したとき、参照値ホールド部４７の参照値ホールドを解除させるとともに、動作指令部５２に倣い移動の中断を指令して一旦接触部２２をフリーにさせる。倣い移動を中断する間に参照値を新たに生成して参照値を更新したのち、倣い移動が再開されることになる。
ここに、カウンタ４８、時間設定部４９により参照値更新手段が構成される。
【００５２】
差分器５１は、検出信号とＤＡコンバータ５０から出力される参照値とを比較して比較結果を動作指令部５２に出力する。
動作指令部５２は、差分器５１での比較結果に基づいて駆動機構３に動作指令を与える。動作指令部５２には、接触部２２と被測定物表面とを倣い移動させるための所定のアルゴリズムが記憶されている。アルゴリズムとしては、例えば、接触部２２を被測定物表面に向かって移動させるアプローチ動作や、アプローチ動作のあと検出信号が参照値になるように接触部２２を被測定物表面に沿って移動させる倣い移動動作や、検出信号が参照値に一致したときのプローブ位置をサンプリングするサンプリング動作などがある。これらのアルゴリズムは、例えば、特開２００１−９９６３９号に開示されるものなど従来知られたアルゴリズムを利用することができる。
【００５３】
すなわち、動作指令部５２は、差分器５１での比較結果をもとに所定のアルゴリズムを選択して、駆動機構３に動作指令を与え、ホールドされた参照値に基づいた接触部２２と被測定物表面との倣い移動を実行させる。
さらに、参照値のホールド時間が設定時間に達した場合、ＤＳＰ４６から動作指令部５２に接触部２２を一旦フリーにするように信号が出力される。この信号を受けた場合、動作指令部５２は、倣い移動を中止して接触部２２を一旦フリーにさせた後に再び倣い移動を開始させる指令を駆動機構３に与える。
ここに、差分器５１、動作指令部５２により制御手段が構成されている。
【００５４】
このような構成からなる第１実施形態の動作を説明する。
加振回路２５から一定周波数の信号が出力され、加振回路２５の側の圧電素子２４の振動によってスタイラス２１が振動される。スタイラス２１の振動は、検出回路２７の側の圧電素子２６によって電圧変換されて検出回路２７から検出信号として出力される。
まず、倣い測定を開始する前に、接触部２２が被測定物表面と関与しないフリーの状態での検出信号が検出回路２７から出力される。このときの検出信号は、例えば図２（Ｂ）のＳ１に示され、温度変化の影響を受けて低周波の直流信号レベルの変動を含むものとなる。この検出信号はローパスフィルタ４１に通されて低周波の変動成分のみが検出信号から抽出される。このとき抽出される低周波成分は、例えば、図２（Ｂ）のＳ２に示され、温度変化の影響による検出信号の直流信号レベルである。
【００５５】
ローパスフィルタ４１で抽出された低周波の変動から参照値生成回路４２において所定値ΔＳが減じられ、参照値が生成される。この参照値は、例えば、図２（Ｂ）のＳ４に示されるように、温度変化による検出信号変動から常に所定値ΔＳだけ小さい値となり、接触部２２が被測定物表面に所定押込量ｄで押込まれたときの検出信号の値を示す。
参照値生成回路４２で生成された参照値は検出回路２７からの検出信号とともに比較回路４３に出力される。また、生成された参照値は、参照値設定部４４のＡＤコンバータ４５を介してＤＳＰ４６に送られる。
【００５６】
動作指令部５２から倣い測定の開始の指令が与えられて、駆動機構３により接触部２２が被測定物表面に向かって移動を開始する。接触部２２と被測定物表面とが接触を開始し始めると、スタイラス２１の振動が束縛されて、検出信号が図２（Ｂ）のＳ３に示されるように減衰を始める。
このとき、比較回路４３で検出信号と参照値Ｓ４とが比較され、検出信号と参照値との一致を検出したとき、比較回路４３からトリガがＤＳＰ４６に出力される（図２（Ｃ）参照）。このトリガを受けて、参照値ホールド部４７は、検出信号と参照値とが一致した時点の参照値をホールドする。参照値のホールドが行われた時点からカウンタ４８での時刻カウントが開始される。
【００５７】
参照値がホールドされたところで、この参照値に基づいた接触部２２と被測定物表面との倣い移動が開始される。
ホールドされた参照値は、ＤＡコンバータ５０でアナログ変換された後、差分器５１に出力される。差分器５１では、検出信号と参照値とを比較して比較結果を動作指令部５２に出力する。
動作指令部５２は、差分器５１での比較結果に基づいて駆動機構３に動作指令を与え、駆動機構３により接触部２２と被測定物表面とが所定押込量ｄの相対位置関係を保つ倣い移動が実行される。倣い移動により検出信号が参照値に一致したときのプローブ位置が駆動機構３のリニアエンコーダでサンプリングされる。サンプリングされたデータは図示しないメモリ等に記憶される。
【００５８】
倣い移動が実行され、図３に示されるように、倣い移動の時間が時間設定部４９に設定された時間Ｔに達した場合、カウンタ４８がリセットされ、参照値ホールド部４７での参照値ホールドが解除されるとともに、倣い移動が一旦中断される。
倣い移動が一旦中断されて、接触部２２がフリーになると、再びローパスフィルタ４１および参照値生成回路４２で参照値が生成される。倣い移動が再開されて接触部２２が被測定物表面に接触し、検出信号と参照値とが一致したところで比較回路４３からトリガが出力される。このトリガを受けて参照値ホールド部４７が参照値を新たにホールドすることにより参照値を更新する。このホールドされた参照値に基づいて、倣い移動が実行される。
【００５９】
以上のように、参照値の生成、参照値のホールド、倣い移動、参照値の更新を繰り返しながら、接触部２２と被測定物表面とを倣い移動させる。最後に、倣い移動によって得られたプローブ２の軌跡から所定押込量ｄを補正演算して被測定物表面の形状を算出する。
【００６０】
このような構成からなる第１実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
（１）ローパスフィルタ４１を用いて、温度変化による検出信号の直流信号レベルの変動を抜き出すことができる。参照値生成回路４２において、ローパスフィルタ４１で抽出された直流信号レベルから所定値ΔＳを減じて参照値を生成することができる。さらに、生成された参照値を参照値ホールド部４７でホールドすることができる。つまり、温度変動に応じた参照値を生成することができ、この参照値をホールドして倣い移動を行うことができる。生成された参照値に基づいて倣い移動を行えば、温度変動のある測定環境下においても、接触部２２と被測定物表面とを所定押込量ｄとする倣い移動を行うことができ、被測定物表面を正確に測定することができる。
【００６１】
（２）比較回路４３が設けられているので、生成された参照値と検出信号とが一致した時点で参照値ホールド部４７に参照値をホールドさせることができる。よって、倣い移動を開始する時点の測定環境下の温度を加味した参照値に基づいて倣い移動を行うことができる。つまり、測定時の温度を最も反映した参照値による倣い移動を行うことができる。その結果、測定環境の温度に応じた最適な測定により、正確に被測定物表面形状を測定することができる。
【００６２】
（３）カウンタ４８と時間設定部４９が設けられ、参照値ホールド部４７での参照値のホールド時間が設定時間になったときには、倣い移動を中断して参照値を更新する。一定時間ごとに参照値を更新することにより、測定環境の温度変化に追従した参照値に基づいて倣い移動を行うことができる。よって、温度が時間変化する測定環境においても、正確な倣い移動により、正確に被測定物表面形状を測定することができる。
【００６３】
（４）参照値ホールド部４７、カウンタ４８および時間設定部４９をＤＳＰ４６で構成することにより、参照値のホールドと解除や、時間設定部４９の設定時間の設定などが容易である。
【００６４】
（第２実施形態）
本発明の表面形状測定装置の第２実施形態を図４に示す。
この第２実施形態の基本的構成は第１実施形態と同様であるが、第２実施形態の特徴とするところは、温度を測定する温度測定手段５３が設けられていることにある。
温度測定手段５３は、図５に示されるようにスタイラス２１の軸に設けられ、スタイラス２１の温度を測定する。温度測定手段５３としては、例えば、熱電対やサーミスタなどを用いることができる。
ＤＳＰ４６には、第１実施形態のカウンタ４８および時間設定部４９に換えて温度設定部５４が設けられている。温度設定部５４には、図６（Ａ）に示されるように、温度の閾値が所定幅で設定されている。本実施形態では、閾値として設定値１、設定値２（＜設定値１）および設定値３（＜設定値２）・・・が設けられている。この閾値の間隔は、所望の測定精度に応じて設定される。例えば、温度変化に鋭敏な精度の高い測定を行いたい場合には、閾値の幅を小さく設定すればよい。
【００６５】
このような構成において、まず、倣い測定を始める前に、接触部２２がフリーの状態で参照値生成回路４２により参照値を生成し、比較回路４３で参照値と検出信号の一致を検出した時点でトリガを出力して参照値ホールド部４７で参照値をホールドする。さらに、このホールドした参照値に基づいて接触部２２と被測定物表面を倣い移動させるところまでは、第１実施形態と同様である。
【００６６】
参照値をホールドして倣い移動を行っている間、温度測定手段５３はスタイラス２１の温度を測定している。温度測定の結果は、温度設定部５４に出力される。温度測定の結果が、設定されたいずれかの閾値をまたいで変化しないときは、参照値ホールド部４７での参照値のホールドを継続して、倣い移動を続ける。
温度測定手段５３での温度測定の結果が、いずれかの閾値に一致したとき、または、閾値をまたいだ場合には、倣い移動を一旦中断して参照値の更新を指令する。
【００６７】
図６（Ａ）中の点Ｑで示されるように、温度が閾値（図６中では設定値２）に一致したとき、温度設定部５４は、参照値ホールド部４７の参照値のホールドを解除させるとともに、動作指令部５２に倣い移動の中断を指令する。倣い移動が中断されて接触部２２がフリーになったところで参照値を生成し、参照値を更新する。この更新された参照値に基づいて倣い移動を行う。
【００６８】
このような第２実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）（２）に加えて次の効果を奏することができる。
（５）温度測定手段５３が設けられ、温度設定部５４に温度の閾値が所定幅で設定されているので、スタイラス２１の温度変化が所定幅で変化したことを検知することができる。すると、スタイラス２１の温度が変化したときに、この温度変化にあわせて参照値を更新することができる。よって、測定環境の温度が急に変化した場合でも、この温度変化に対応して参照値を更新し、接触部２２と被測定物表面とを所定押込み量ｄで倣い移動させることができる。よって、温度変化がある測定環境でも正確に被測定物表面を測定することができる。また、測定温度が変化しない場合には、参照値をホールドする時間を長くして倣い移動の継続を行うので、参照値更新のための倣い移動を中断することなく、すみやかに測定を行うことができる。
【００６９】
（６）温度測定手段５３は直接スタイラス２１に設けられ、スタイラス２１の温度を測定する。つまり、スタイラス２１の熱変化を誘引する温度変化を直接測定するので、スタイラス２１の熱変化を最も正確に検知することができる。
【００７０】
（変形例１）
第１実施形態および第２実施形態の変形例を図７に示す。この変形例１の基本的構成は第１実施形態および第２実施形態と同様であるが、第１および第２実施形態と異なるのは、参照値設定部４４がサンプルホールド回路５５（サンプルアンドホールド回路）で構成されている点である。
サンプルホールド回路５５は、第１および第２実施形態と同様に比較回路４３からのトリガによって参照値生成回路４２で生成された参照値をホールドする。
【００７１】
また、図７中には示していないが、サンプルホールド回路５５でホールドした参照値を更新するタイミングは、第１実施形態のように、別個に設けられたカウンタ４８および時間設定部４９などで時間に基づいて更新するようにしてもよいし、あるいは、トリガ信号によって起動される１ショットマルチバイブレータ回路を設けておき、所定時間を計時して、これによって参照値を更新するタイミングとしてもよい。
サンプルホールド回路５５でホールドした参照値の更新は、第２実施形態のように、スタイラス２１に設けた温度測定手段５３の測定結果と温度設定部５４などに予め設定された閾値に基づいて更新するようにしてもよい。
【００７２】
（変形例２）
第１実施形態および第２実施形態の変形例２を図８に示す。この変形例２の基本的構成は、第１実施形態および第２実施形態と同様であるが、第１および第２実施形態と異なる点は、比較回路が設けられていない点である。
変形例２の動作を参照値のホールドタイミングを中心に説明する。
参照値生成回路４２で生成された参照値がサンプルホールド回路５５に出力される。サンプルホールド回路５５は、動作指令部５２が駆動機構３に倣い測定の開始の指令を与えて接触部２２を被測定物表面に向かって移動させたときに参照値をホールドする。
図８中には図示しないが、サンプルホールド回路５５の参照値の更新は、第１実施形態のようにカウンタ４８および時間設定部４９を設けて、倣い移動を継続する時間に基づいて行ってもよい。サンプルホールド回路５５の参照値の更新は、第２実施形態のように温度測定手段５３と温度設定部５４の閾値などを設けて、温度に基づいて行ってもよい。
参照値を更新する場合、サンプルホールド回路５５は、倣い移動が一旦中断されて接触部２２が被測定物表面から離隔したあと、再び接触部２２が被測定物表面に向かって移動を開始した時点で参照値をホールドする。
【００７３】
このような構成によれば次の効果を奏することができる。
（７）参照値と検出信号を比較して参照値をホールドするタイミングを指示する比較回路を必要としないので、回路構成が簡便である。
【００７４】
（第３実施形態）
本発明の表面形状測定装置の第３実施形態を図９に示す。
第３実施形態は、コントローラ部４の構成を除いては、第２実施形態と同様であるが、第３実施形態のコントローラ部４は、差分器５１、動作指令部５２、サンプルホールド回路５５および参照値テーブル５６を備えて構成されている。
差分器５１、動作指令部５２の動作は第１および第２実施形態と同様である。
参照値テーブル５６は、温度と参照値の関係を記録したテーブルである。この温度と参照値との関係は、測定に先立って予め実験的もしくは理論的に求めておくものである。例えば、温度が２０℃から２５℃の間では参照値の値はＳ２０−２５とし、温度が２５℃から３０℃の間では参照値の値はＳ２５−３０とするなど一定の温度幅（例えば５℃間隔）に対応した参照値を予め設定して記憶させておく。
サンプルホールド回路５５は、温度測定手段５３からの測定結果に応じて参照値テーブル５６から測定温度に対応した温度領域の参照値を読み出してホールドする。さらに、温度測定手段５３での測定温度が変化して対応する温度領域が変った場合には、ホールドしていた参照値を解除して、新たに参照値を読み出してホールドする。
【００７５】
このような構成によれば、次の効果を奏することができる。
（８）参照値テーブル５６が設けられ、予め温度に対応した参照値が記録されているので、ローパスフィルタ４１や参照値生成回路４２など参照値を生成する回路は必要なくなる。
（９）参照値を生成する必要がないため、参照値を生成または更新する場合に、倣い移動を中止する必要がなく、倣い移動を継続することができる。中断なく倣い移動を行えるので、すみやかに測定を行うことができる。
【００７６】
上記第３実施形態の変形例として、サンプルホールド回路５５を削除した構成としても良い。すなわち、温度測定手段５３から出力される測定温度を参照値テーブル５６へ入力し、このテーブルを参照して得られた参照値を差分器５１へ入力する。
このような構成によれば、次の効果を奏することができる。
（１０）サンプルホールド回路５５を削除できるので、回路構成を単純化できる。
【００７７】
上記第３実施形態のさらなる変形例として、加振回路２５から出力される信号の周波数を温度によって変更可能な構成とすることも出来る。すなわち、コントローラ部４に更に、温度対発振周波数の関係を格納した周波数設定手段としての周波数テーブルを設け、この周波数テーブルを用いて、温度測定手段５３での温度測定結果から適正な信号周波数を導出し、この結果を加振回路２５へ与えて、周波数を変更する。
【００７８】
周波数テーブルは、温度と適正な発振周波数の関係を、測定に先立って予め実験的もしくは理論的に求めておくものである。ここで、適正な発振周波数とは、温度によって変化したスタイラスの固有振動数を指す。例えば、温度が２０℃から２５℃の間では発振周波数の値はＦ２０−２５とし、温度が２５℃から３０℃の間では発振周波数の値はＦ２５−３０とするなど一定の温度幅（例えば５℃間隔）に対応した発振周波数を予め設定して記憶させておく。あるいは、温度、・・・２０℃、２１℃、２２℃・・・に対して、発振周波数、・・・Ｆ２０、Ｆ２１、Ｆ２２・・・を設定して記憶させておき、例えば、２０．５℃などの周波数テーブルに記憶されていない温度の場合には、補間によって適正な発振周波数を求めるようにしても良い。
【００７９】
また、周波数テーブルに代えて測定温度から発振周波数を算出する関数を予め実験的もしくは理論的に求めておいて、コントローラ部４に記憶させておき、温度測定手段５３での測定温度から発振周波数を一義的に算出して決定し、その結果を加振回路２５に与えて周波数を変更するようにしても良い。
【００８０】
このようなテーブル補間あるいは関数による構成は、参照値の決定に際しても用いても良い。
【００８１】
また、このような発振周波数を可変とする構成の場合は、サンプルホールド回路５５と参照値テーブル５６は必ずしも設ける必要がなく、差分器５１に与える参照値は固定値であっても良い。
【００８２】
さらに、温度測定手段５３での測定温度から行う発振周波数の導出は常時行っても良いが、倣い移動中はこの発振周波数の導出を停止し、倣い移動開始直前の発振周波数をホールドする構成としても良い。この場合には、周波数設定手段として、周波数テーブルの出力をホールドする周波数ホールド回路を更に追加し、この周波数ホールド回路の出力を加振回路２５へ入力すれば良い。この周波数ホールド回路の周波数ホールドは、動作指令部５２の指令に基づいて行えば良い。
【００８３】
このような構成によれば、次の効果を奏することができる。
（１１）周波数テーブルが設けられ、予め温度に対応した発振周波数が記録されているので、温度の測定結果から最適な発振周波数を求めることができ、加振回路２５の発振周波数を変更できる。これによって、温度によってスタイラス２１の固有振動数が変化した場合でも、常に変化した固有振動数に相当する周波数で加振回路２５から信号を出力できる。その結果、検出回路２７から出力される検出信号の直流信号レベルの変動を抑制できるので、温度が変化した場合であっても精度の高い測定を行うことが出来る。
【００８４】
（１２）参照値を固定値とすることができるため、参照値を求めるための各種回路を削減することができる。
【００８５】
尚、本発明の表面形状測定装置は、上記実施形態および変形例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
上記実施形態および変形例では、振動接触式のプローブ２を用いて説明したが、プローブは、スタイラス２１の歪み量を測定する歪みゲージを備えた倣いプローブや、非接触式のプローブでもよい。
【００８６】
参照値生成回路４２は、所定値ΔＳをローパスフィルタ４１を通過した信号から減じて参照値を生成する構成としたが、その他、ローパスフィルタ４１を通過した信号に１より小さい所定係数を乗じる構成としてもよい。また、検出部と被測定物表面とが関与したときに検出信号のレベルが上昇するプローブを用いた場合には、参照値生成回路４２では、所定値を加算したりまたは１よりも大きい所定係数を乗じて参照値を生成する構成としてもよい。
【００８７】
第２実施形態において、温度測定手段５３は、スタイラス２１に設けられてスタイラス２１の温度を測定しているが、スタイラス近傍の温度を測定するようにしてもよい。
【００８８】
参照値設定部４４は、ＤＳＰ４６やサンプルホールド回路５５に限らず参照値生成回路４２からの参照値をホールドできるものであればよい。
抽出手段は、ローパスフィルタ４１に限らず、温度変化による検出信号変動を抽出できるものであればよい。
【００８９】
参照値を更新するタイミングは、カウンタ４８および時間設定部４９を備えて時間に基づいて行うものや、温度測定手段５３と温度設定部５４を備えて温度に基づいて行うものとしたが、これに限らず、ユーザーが所定のタイミングで参照値更新の指令を入力して参照値を更新するものとしてもよい。例えば、ユーザーが頃合を見計らって参照値更新を指令するボタンやレバーを操作する構成としてもよい。
【００９０】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の表面形状測定装置によれば、温度変化がある測定環境下における倣い測定により正確に被測定物表面形状を測定することができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表面形状測定装置の第１実施形態を示す図である。
【図２】前記第１実施形態において、温度変化と参照値との関係を表す図である。（Ａ）は温度の変化を表す図である。（Ｂ）は、温度変化があった場合の検出信号の変化と参照値の関係を表す図である。（Ｃ）は、参照値をホールドするタイミングを指令するトリガのタイミングチャートである。
【図３】前記第１実施形態において、倣い移動を一旦中断して参照値を更新する様子を表した図である。
【図４】本発明の表面形状測定装置の第２実施形態を示す図である。
【図５】前記第２実施形態において、プローブの先端部分と温度測定手段を示す図である。
【図６】前記第２実施形態において、設定温度と参照値の更新の様子を示す図である。
【図７】前記第１実施形態および前記第２実施形態の変形例１を示す図である。
【図８】前記第１実施形態および前記第２実施形態の変形例２を示す図である。
【図９】本発明の表面形状測定装置の第３実施形態を示す図である。
【図１０】従来の表面形状測定装置の外観図である。
【図１１】従来の振動接触式プローブを示す図である。
【図１２】従来の倣い移動の様子を示す図である。
【図１３】従来の接触部の押込量と検出信号の関係を示す図である。
【図１４】従来の温度変化と検出信号の変化の様子を示す図である。
【図１５】従来の表面形状測定装置を用いて温度変化のある測定環境下で倣い測定を行った場合を示す図である。
【図１６】従来の接触検知回路の構成を示す図である。
【図１７】従来の接触検知回路によって参照値を生成する様子を示す図である。
【符号の説明】
１ 表面形状測定装置
２ プローブ
３ 駆動機構
４ コントローラ部
２１ スタイラス
２２ 接触部
２４ 圧電素子（加振手段）
２５ 加振回路（加振手段）
２６ 圧電素子（検出手段）
２７ 検出回路（検出手段）
４１ ローパスフィルタ
４２ 参照値生成回路（参照値生成手段）
４３ 比較回路（一致検出手段）
４４ 参照値設定部
４５ ＡＤコンバータ
４７ 参照値ホールド部（参照値ホールド手段）
４８ カウンタ（参照値更新手段）
４９ 時間設定部（参照値更新手段）
５０ ＤＡコンバータ
５１ 差分器（制御手段）
５２ 動作指令部（制御手段）
５３ 温度測定手段
５４ 温度設定部
５５ サンプルホールド回路（参照値ホールド手段）
５６ 参照値テーブル[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface shape measuring device. More specifically, the present invention relates to a surface shape measuring device that measures a surface of an object by moving a probe attached to a three-dimensional measuring device or the like along the surface of the object.
[0002]
[Background Art]
2. Description of the Related Art A surface shape measuring device for measuring a surface shape of an object to be measured by relatively moving a contact type or non-contact type probe attached to a coordinate measuring machine or the like along the surface of the object to be measured is known.
For example, as shown in FIG. 10, the surface
[0003]
As shown in FIG. 11, the
The vibration means comprises a piezoelectric element provided on the
[0004]
The
[0005]
In such a configuration, as shown in FIG. 12, when the
Here, the reference value is defined as a value obtained by subtracting a signal change amount when the
[0006]
The
[0007]
By the way, when the ambient temperature changes during the measurement, the length of the
[0008]
When the ambient temperature changes as shown in FIG. 14A, the vibration amplitude of the
Even when the
[0009]
For example, as shown in FIG. 15, when the inner wall surface of the hole is measured by scanning, when the
When the
On the other hand, when the vibration amplitude of the
[0010]
In order to solve a measurement error due to temperature fluctuation, the present applicant has proposed a contact detection circuit that generates a reference value according to a temperature change in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-111143.
As shown in FIG. 16, the
The reference
[0011]
In such a configuration, the low-
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
The
However, for example, in the case of performing the scanning measurement using the scanning probe, there is a problem that a reference value cannot be generated because the
[0013]
Such a problem is not limited to the contact type vibration probe, but also includes a scanning probe that detects the amount of distortion of the
In the case of the scanning probe, a change in the diameter of the contact portion and a change in the stylus length occur due to a change in ambient temperature. Therefore, even if the detected value of the strain gauge is a predetermined value, the amount of strain (pressing amount) of the
Also, in the case of a non-contact scanning probe that performs a scanning movement with an offset amount as a focal length, since the focal length of the optical system changes due to a change in ambient temperature, the offset amount when focused is constant. Not exclusively.
Therefore, even if the position information of the probe is corrected and calculated with a constant distortion amount (push amount) or offset amount due to scanning movement in a measurement environment where a temperature change occurs, an accurate surface shape of the object to be measured cannot be obtained. Occurs.
[0014]
An object of the present invention is to solve the conventional problems and to provide a surface shape measuring apparatus capable of accurately measuring the surface shape of an object to be measured by scanning measurement in a measurement environment having a temperature change.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The probe according to
[0016]
In such a configuration, the scanning unit is controlled by the control unit so that the detection signal becomes a reference value. Then, the relative position between the detection unit and the surface of the workpiece is moved while following the relationship of the reference position. If the detection unit and the surface of the object to be measured maintain the reference positional relationship, the shape of the surface of the object to be measured can be known by performing a correction operation on the movement trajectory of the detection unit during the scanning movement.
Here, a detection signal value when the detection unit and the surface of the device under test are in the reference positional relationship is set as a reference value, and if the detection signal is set to the reference value, the detection unit and the surface of the device under test are referenced. Copying movement as a position can be performed.
[0017]
However, when the ambient temperature changes, the detection signal changes under the influence of the temperature change. For example, in a vibration contact type probe, the natural frequency of the stylus may change due to a thermal change of the stylus. It is conceivable that the contact ball and the stylus length change in the copying probe. In an optical non-contact probe, a change in the focal position of the optical system or the like is conceivable. As described above, when the detection signal is affected by the temperature change, the value of the detection signal when the detection unit and the surface of the DUT are at the reference position also changes. In an environment in which a detection signal fluctuates due to a temperature change, the detection unit and the surface of the object to be measured cannot be maintained at the reference position even if scanning is performed based on a reference value fixed to a constant value regardless of the temperature.
Therefore, a change in the detection signal due to the temperature change is extracted, and a detection signal value when the detection unit and the surface of the DUT are at the reference position, that is, a reference value is generated from the change in the detection signal due to the temperature change. The scanning movement is executed based on the reference value generated in consideration of the temperature fluctuation. Then, even in a measurement environment in which there is a temperature fluctuation, the scanning movement can be performed with the detection unit and the surface of the object to be measured as the reference positions. As a result, it is considered that the surface shape of the measured object can be accurately known from the probe trajectory.
[0018]
The surface shape measuring apparatus of the present invention based on the above technical idea generates a reference value by the reference value generation means. When generating the reference value, first, the extraction unit extracts a detection signal fluctuation due to a temperature change in the measurement environment in a free state in which the detection unit does not involve the surface of the measurement object. The reference value generation unit converts the detection signal fluctuation extracted by the extraction unit to generate a reference value. For example, a predetermined value is subtracted from the extracted detection signal fluctuation, or the detection signal fluctuation is multiplied by a predetermined coefficient to generate a reference value when the detection unit and the surface of the device to be measured are at the reference position.
[0019]
The reference value holding means holds the reference value generated by the reference value generation means. When the detection unit and the surface of the object under test move in a scanning manner, a reference signal cannot be generated because a detection signal fluctuation due to a temperature change cannot be extracted. Therefore, the reference value is held by the reference value holding means, and the detection unit and the surface of the device under test are moved based on the held reference value. Then, it is possible to realize the scanning movement with the detection unit and the surface of the object to be measured as the reference positions based on the reference value generated in consideration of the temperature change. Therefore, the shape of the surface of the object to be measured can be accurately known from the movement locus of the detection unit at this time.
[0020]
Further, the temperature of the measurement environment may change during the scanning movement, and the reference value at which the detection unit and the surface of the object to be measured are at the reference position may change. The reference value updating unit stops the scanning movement at a predetermined timing, sets the detection unit in a free state, generates a new reference value, and updates the reference value of the reference value holding unit. By performing the scanning movement based on the updated reference value, even when the temperature change occurs during the scanning movement, the scanning movement can be performed with the detection unit and the surface of the object to be measured as the reference positions.
In this way, by generating the reference value according to the temperature change and updating the reference value following the temperature change, it is possible to realize the scanning movement that is robust against the temperature change.
[0021]
The surface shape measuring device according to
[0022]
In such a configuration, for example, in a stylus having a contact portion as a detection portion, when the stylus is vibrated by the vibration means to bring the contact portion into contact with the surface of the workpiece, the contact portion is bound by the surface of the workpiece. The vibration state of the stylus changes. The vibration detecting means detects the vibration state of the stylus, and outputs a detection signal corresponding to the vibration state.
When the temperature of the measurement environment changes, the stylus length and the dimensions of the contact portion change due to the heat change. When the vibration applied to the stylus from the vibrating means has a fixed period, the stylus vibrating state changes as the stylus length changes. That is, the detection signal output from the vibration detecting means changes. At this time, since the thermal change of the stylus length due to the temperature change is a low-frequency change having a long cycle, if the low-frequency change is extracted from the vibration of the stylus by the low-pass filter as the extracting means, the detection signal change due to the temperature change is extracted. can do.
[0023]
The surface shape measuring device according to
[0024]
In such a configuration, the reference value is generated by the reference value generation unit following the temperature change while the detection unit is in a free state. When starting the scanning movement between the detection unit and the surface of the object to be measured, the detection unit is moved closer to the surface of the object to be measured. The coincidence detecting means detects a coincidence between the detection signal and the generated reference value, and when the detection signal coincides with the generated reference value, determines that the detection unit and the surface of the device to be measured have reached the reference position. The value of the reference value at this time is held by the reference value holding means. Thereafter, the detection unit and the surface of the device under test are moved based on the held reference value.
As described above, the coincidence detecting means is provided, and starts the scanning movement to hold the reference value at the time when the detection signal coincides with the generated reference value. Therefore, the scanning movement can be executed based on the reference value corresponding to the measurement environment temperature at the time of starting the scanning movement. As a result, the scanning movement using the reference value that reflects the temperature of the measurement environment to the maximum can be realized, so that the shape of the surface of the object to be measured can be accurately measured.
[0025]
The surface shape measuring device according to
[0026]
In such a configuration, the reference value is generated by the reference value generation unit following the temperature change while the detection unit is in a free state. When starting the scanning movement between the detection unit and the surface of the object to be measured, the generated reference value is held by the reference value holding unit when the detection unit starts moving toward the surface of the object to be measured. Thereafter, the detection unit and the surface of the device under test are moved based on the held reference value. As described above, if the detection unit holds the reference value when the detection unit starts moving toward the surface of the device under test, the coincidence detection unit detects the coincidence between the reference value and the detection signal in order to instruct the timing of holding the reference value. Since no configuration is required, the configuration can be simplified. Even if the reference value at the time the detector is moved toward the surface of the DUT is held, if the measurement environment is temperature-controlled and the temperature change is small, the held reference value can sufficiently indicate the temperature of the measurement environment. Will be reflected. Therefore, the scanning movement can be performed with the detection unit and the surface of the object to be measured as the reference positions.
[0027]
According to a fifth aspect of the present invention, in the surface shape measuring apparatus according to any one of the first to fourth aspects, the reference value updating unit is configured to connect the detecting unit and the object at predetermined time intervals. The scanning movement with the surface of the measurement object is stopped, and the reference value is updated.
[0028]
According to such a configuration, the reference value updating unit stops the scanning movement at regular time intervals, and sets the detection unit to the free state. The detection unit generates a reference value according to the temperature of the measurement environment in a free state, and causes the reference value holding unit to hold the newly generated reference value, thereby updating the reference value.
If the time during which the reference value is held becomes longer, the temperature of the measurement environment may change during this time. Then, the value of the reference value at which the detection unit and the surface of the object to be measured become the reference position changes, and the detection unit and the surface of the object to be measured cannot be maintained at the reference position. However, according to the present invention, since the reference value is updated every fixed time, it is possible to perform the scanning movement with the detection unit and the surface of the workpiece as the reference positions based on the reference value reflecting the temperature of the measurement environment. it can.
[0029]
The surface profile measuring device according to claim 6 is the surface profile measuring device according to any one of
[0030]
According to such a configuration, the temperature near the probe or the temperature of the probe is measured by the temperature measuring means. When the temperature measured by the temperature measuring means changes by more than the set width, the reference value updating means updates the reference value reflecting the temperature of the measurement environment. In other words, the temperature is measured by the temperature measuring means, and the reference value is updated when it becomes impossible to use the held reference value as a reference position between the detection unit and the surface of the device under test. Therefore, the reference value can be updated as needed in response to a temperature change in the measurement environment. As a result, by performing accurate scanning movement even in a measurement environment where there is a temperature change, the surface shape of the object to be measured can be accurately measured.
For example, even when a sudden temperature change occurs, since the reference value is updated by detecting the temperature change, accurate measurement can be performed even in a measurement environment where the temperature management is insufficient.
[0031]
The set temperature range may be set according to desired measurement accuracy. For example, when performing precise measurement, the reference temperature may be updated even with a slight temperature change by reducing the set temperature range. Alternatively, when rough measurement is sufficient, the set temperature range may be increased. Then, since the number of times of updating the reference value is reduced, the measurement speed is increased.
[0032]
The surface shape measuring device according to claim 7 is the surface shape measuring device according to any one of
[0033]
According to such a configuration, the reference value generated by the reference value generation unit is digitally converted by the analog-digital converter (AD converter). The digitally converted reference value is held by a digital signal processor (DSP). The held reference value is converted and output by a digital-analog converter (DA converter). Further, the DSP updates the held reference value as appropriate.
[0034]
The surface profile measuring device according to claim 8 is the surface profile measuring device according to any one of
[0035]
According to such a configuration, the sample and hold circuit (sample and hold circuit) holds the reference value generated by the reference value generation means. Further, the sample and hold circuit updates the held reference value as appropriate.
[0036]
The probe according to
[0037]
According to such a configuration, the reference value is set based on the temperature measured by the temperature measuring means. For example, a function for obtaining a reference value using temperature as a variable is determined experimentally or theoretically in advance, and the reference value can be obtained by performing this function calculation. As described above, since the reference value can be appropriately set according to the temperature change, the scanning movement that is robust against the temperature fluctuation can be realized.
[0038]
The surface profile measuring device according to
[0039]
According to such a configuration, the reference value corresponding to the temperature measured by the temperature measuring means is read from the table in which the reference value corresponding to the temperature is recorded. The read reference value is held by reference value holding means. Based on the held reference value, the detection unit and the surface of the object to be measured are moved. If the measured temperature has changed beyond the set temperature range, a reference value corresponding to the temperature of the measurement environment is newly read from the table and held by the reference value holding means.
As described above, the reference value corresponding to the temperature change is recorded in advance, and the reference value is updated according to the temperature change, so that the scanning movement that is robust against the temperature change can be realized.
[0040]
The surface profile measuring device according to claim 11, wherein a detection unit is provided at a tip of a stylus and detects a surface of the object to be measured, and detects a relative positional relationship between the detection unit and the surface of the object to be detected to generate a detection signal. A probe having detection means for outputting, a scanning means for moving the detection section along the surface of the object to be measured, and the detection when the relative position between the detection section and the surface of the object to be measured is at a reference position A surface shape measuring device comprising: a control unit that controls the scanning unit so that the detection signal becomes the reference value using a signal as a reference value, a vibration unit that vibrates the stylus, and a temperature near the stylus. Alternatively, a temperature measuring unit for measuring the temperature of the stylus and a frequency setting unit for setting an oscillation frequency based on the temperature are provided, and based on an output of the frequency setting unit. And sets the oscillation frequency of KiKafu means.
[0041]
According to such a configuration, the oscillation frequency of the vibrating means for vibrating the stylus can be changed to an optimum frequency based on the temperature measured by the temperature measuring means. For example, when the temperature of the stylus or the temperature near the stylus changes, the length of the stylus or the size of the detecting unit changes, thereby changing the natural frequency of the stylus. If the oscillation frequency of the vibrating means is kept constant in this state, the vibration amplitude decreases, the detection signal from the detecting means fluctuates, and stable copying cannot be performed. Therefore, if the stylus or the temperature near the stylus is measured and the frequency corresponding to the natural frequency of the stylus changed according to this temperature is oscillated by the vibration means, the fluctuation of the detection signal by the detection means is suppressed. In addition, it is possible to realize a scanning movement that is robust against temperature fluctuations.
[0042]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(1st Embodiment)
FIG. 1 shows a first embodiment of a surface profile measuring apparatus according to the present invention.
The surface
[0043]
The
The
Here, the vibration means is constituted by the
[0044]
The frequency of the signal output from the
Here, the relationship between the vibration state of the
Furthermore, when the
[0045]
As the
[0046]
The
[0047]
The low-
[0048]
The reference
Here, the predetermined value ΔS is a change in the DC signal level when the
[0049]
The
As shown in FIG. 2B, when the
Here, the
[0050]
The reference
The
[0051]
The reference
The counter 48 counts the time from the time when the reference
The
Here, the
[0052]
The
The
[0053]
That is, the
Further, when the hold time of the reference value reaches the set time, a signal is output from the
Here, a control unit is configured by the
[0054]
The operation of the first embodiment having such a configuration will be described.
A signal of a constant frequency is output from the
First, before the scanning measurement is started, the
[0055]
The reference
The reference value generated by the reference
[0056]
A command to start scanning measurement is given from the
At this time, the detection signal is compared with the reference value S4 by the
[0057]
When the reference value is held, the scanning movement between the
The held reference value is analog-converted by the
The
[0058]
When the scanning movement is performed and the scanning movement time reaches the time T set in the
Once the scanning movement is interrupted and the
[0059]
As described above, the
[0060]
According to the first embodiment having such a configuration, the following effects can be obtained.
(1) Using the low-
[0061]
(2) Since the
[0062]
(3) A
[0063]
(4) By configuring the reference
[0064]
(2nd Embodiment)
FIG. 4 shows a second embodiment of the surface profile measuring apparatus of the present invention.
The basic configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, but the feature of the second embodiment is that a temperature measuring means 53 for measuring a temperature is provided.
The temperature measuring means 53 is provided on the shaft of the
The
[0065]
In such a configuration, first, before the scanning measurement is started, a reference value is generated by the reference
[0066]
During the scanning movement while holding the reference value, the temperature measuring means 53 measures the temperature of the
When the result of the temperature measurement by the temperature measurement means 53 matches any of the threshold values or when the result of the measurement exceeds the threshold value, the copying operation is temporarily interrupted to instruct the reference value to be updated.
[0067]
As shown by a point Q in FIG. 6A, when the temperature matches the threshold value (set
[0068]
According to the second embodiment, the following effects can be obtained in addition to the effects (1) and (2) of the first embodiment.
(5) Since the temperature measuring means 53 is provided and the temperature threshold is set in the
[0069]
(6) The temperature measuring means 53 is provided directly on the
[0070]
(Modification 1)
FIG. 7 shows a modification of the first embodiment and the second embodiment. The basic configuration of the first modification is the same as that of the first and second embodiments, but differs from the first and second embodiments in that the reference
The
[0071]
Although not shown in FIG. 7, the timing at which the reference value held by the sample and hold
The reference value held by the sample and hold
[0072]
(Modification 2)
FIG. 8 shows a second modification of the first embodiment and the second embodiment. The basic configuration of
The operation of the second modification will be described focusing on the hold timing of the reference value.
The reference value generated by the reference
Although not shown in FIG. 8, the reference value of the sample and hold
When the reference value is updated, the sample and hold
[0073]
According to such a configuration, the following effects can be obtained.
(7) Since a comparison circuit for comparing the reference value with the detection signal and instructing the timing to hold the reference value is not required, the circuit configuration is simple.
[0074]
(Third embodiment)
FIG. 9 shows a third embodiment of the surface shape measuring apparatus of the present invention.
The third embodiment is the same as the second embodiment except for the configuration of the
The operations of the
The reference value table 56 is a table that records the relationship between the temperature and the reference value. The relationship between the temperature and the reference value is obtained experimentally or theoretically in advance before the measurement. For example, when the temperature is between 20 ° C. and 25 ° C., the reference value is S 20-25 When the temperature is between 25 ° C. and 30 ° C., the reference value is S 25-30 For example, a reference value corresponding to a certain temperature range (for example, at 5 ° C. intervals) is set and stored in advance.
The sample and hold
[0075]
According to such a configuration, the following effects can be obtained.
(8) Since the reference value table 56 is provided and reference values corresponding to temperatures are recorded in advance, circuits for generating reference values such as the low-
(9) Since there is no need to generate a reference value, when generating or updating a reference value, the copying movement does not need to be stopped, and the copying movement can be continued. Since the scanning movement can be performed without interruption, the measurement can be performed promptly.
[0076]
As a modification of the third embodiment, the configuration may be such that the sample and hold
According to such a configuration, the following effects can be obtained.
(10) Since the sample and hold
[0077]
As a further modified example of the third embodiment, a configuration may be adopted in which the frequency of the signal output from the
[0078]
In the frequency table, the relationship between the temperature and an appropriate oscillation frequency is obtained experimentally or theoretically in advance of the measurement. Here, the appropriate oscillation frequency refers to the natural frequency of the stylus that has changed with temperature. For example, when the temperature is between 20 ° C. and 25 ° C., the value of the oscillation frequency is F 20-25 When the temperature is between 25 ° C. and 30 ° C., the value of the oscillation frequency is F 25-30 For example, an oscillation frequency corresponding to a certain temperature width (for example, at 5 ° C. intervals) is set and stored in advance. Or, for the temperature,... 20 ° C., 21 ° C., 22 ° C.. 20 , F 21 , F 22 .. May be set and stored. For example, when the temperature is not stored in the frequency table, such as 20.5 ° C., an appropriate oscillation frequency may be obtained by interpolation.
[0079]
Also, instead of the frequency table, a function for calculating the oscillation frequency from the measured temperature is obtained experimentally or theoretically in advance, stored in the
[0080]
Such a configuration using table interpolation or a function may be used when determining a reference value.
[0081]
In the case of such a configuration in which the oscillation frequency is variable, the sample-and-
[0082]
Further, the derivation of the oscillation frequency performed from the temperature measured by the temperature measuring means 53 may be performed at all times. However, during the scanning movement, the derivation of the oscillation frequency is stopped, and the oscillation frequency immediately before the start of the scanning movement is held. good. In this case, a frequency holding circuit for holding the output of the frequency table may be further added as a frequency setting unit, and the output of the frequency holding circuit may be input to the
[0083]
According to such a configuration, the following effects can be obtained.
(11) Since the frequency table is provided and the oscillation frequency corresponding to the temperature is recorded in advance, the optimum oscillation frequency can be obtained from the temperature measurement result, and the oscillation frequency of the
[0084]
(12) Since the reference value can be a fixed value, various circuits for obtaining the reference value can be reduced.
[0085]
It should be noted that the surface shape measuring device of the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and it is needless to say that various changes can be made without departing from the spirit of the present invention.
In the above-described embodiment and modified examples, the description has been made using the vibration
[0086]
The reference
[0087]
In the second embodiment, the temperature measuring means 53 is provided on the
[0088]
The reference
The extraction means is not limited to the low-
[0089]
The timing at which the reference value is updated is based on time provided with the
[0090]
【The invention's effect】
As described above, according to the surface shape measuring apparatus of the present invention, an excellent effect that the surface shape of the object to be measured can be accurately measured by scanning measurement in a measurement environment having a temperature change can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a surface shape measuring device of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a relationship between a temperature change and a reference value in the first embodiment. (A) is a diagram showing a change in temperature. (B) is a diagram illustrating a relationship between a change in a detection signal and a reference value when there is a temperature change. (C) is a timing chart of a trigger for instructing a timing for holding a reference value.
FIG. 3 is a diagram showing a state in which copying is temporarily suspended and a reference value is updated in the first embodiment.
FIG. 4 is a view showing a second embodiment of the surface shape measuring apparatus of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a tip portion of a probe and a temperature measuring means in the second embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing how a set temperature and a reference value are updated in the second embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing a first modification of the first embodiment and the second embodiment.
FIG. 8 is a
FIG. 9 is a view showing a third embodiment of the surface shape measuring apparatus of the present invention.
FIG. 10 is an external view of a conventional surface shape measuring device.
FIG. 11 is a view showing a conventional vibration contact type probe.
FIG. 12 is a diagram showing a state of conventional copying movement.
FIG. 13 is a diagram showing a relationship between a pressing amount of a conventional contact portion and a detection signal.
FIG. 14 is a diagram showing a state of a conventional temperature change and a change of a detection signal.
FIG. 15 is a diagram illustrating a case where scanning measurement is performed in a measurement environment having a temperature change using a conventional surface shape measurement apparatus.
FIG. 16 is a diagram showing a configuration of a conventional contact detection circuit.
FIG. 17 is a diagram showing how a reference value is generated by a conventional contact detection circuit.
[Explanation of symbols]
1 Surface profile measuring device
2 Probe
3 drive mechanism
4 Controller
21 stylus
22 Contact part
24 Piezoelectric element (vibration means)
25 Excitation circuit (excitation means)
26 Piezoelectric element (detection means)
27 Detection circuit (detection means)
41 Low-pass filter
42 Reference value generation circuit (reference value generation means)
43 comparison circuit (match detection means)
44 Reference value setting section
45 AD converter
47 Reference value hold section (reference value hold means)
48 counter (reference value updating means)
49 Time setting section (reference value updating means)
50 DA converter
51 Difference device (control means)
52 operation command part (control means)
53 Temperature measuring means
54 Temperature setting section
55 sample hold circuit (reference value hold means)
56 Reference value table
Claims (11)
前記検出部が前記被測定物表面と関与していない状態の検出信号から温度変化による検出信号変動を抜き出す抽出手段と、
前記抽出手段で抽出された前記検出信号変動を変換処理して前記参照値を生成する参照値生成手段と、
前記検出部と前記被測定物表面とを倣い移動させる際に前記参照値生成手段で生成された前記参照値をホールドする参照値ホールド手段と、
前記参照値ホールド手段の前記参照値を所定のタイミングで更新する参照値更新手段とを備えて構成されていることを特徴とする表面形状測定装置。A probe having a detection unit for detecting the surface of the object to be measured and a detection unit for detecting a relative positional relationship between the detection unit and the surface of the object to be measured and outputting a detection signal; and Scanning means for scanning along the scanning means, and the scanning means so that the detection signal when the relative position between the detection unit and the surface of the device under test is at a reference position is a reference value and the detection signal is the reference value. Control device for controlling the surface profile measuring device,
Extraction means for extracting a detection signal fluctuation due to a temperature change from the detection signal in which the detection unit is not involved with the surface of the device under test,
Reference value generation means for converting the detection signal fluctuations extracted by the extraction means to generate the reference value,
Reference value holding means for holding the reference value generated by the reference value generation means when scanning the detection unit and the surface of the object to be measured,
A surface shape measuring device comprising: a reference value updating unit that updates the reference value of the reference value holding unit at a predetermined timing.
前記プローブは、先端に前記検出部を有するスタイラスと、前記スタイラスを振動させる加振手段と、前記スタイラスの振動状態を検出する前記検出手段としての振動検出手段とを備え、
前記抽出手段は、前記温度変動による検出信号変動として前記検出信号の低周波変動のみを抜き出すローパスフィルタを備えて構成されていることを特徴とする表面形状測定装置。The surface profile measuring device according to claim 1,
The probe includes a stylus having the detection unit at the tip, a vibration unit that vibrates the stylus, and a vibration detection unit serving as the detection unit that detects a vibration state of the stylus.
The surface shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the extraction unit includes a low-pass filter that extracts only a low-frequency fluctuation of the detection signal as a detection signal fluctuation due to the temperature fluctuation.
前記検出信号と前記参照値生成手段で生成された前記参照値との一致を検出する一致検出手段を備え、
前記参照値ホールド手段は、前記一致検出手段で前記検出信号と前記参照値生成手段で生成された前記参照値との一致が検出されたときの前記参照値をホールドすることを特徴とする表面形状測定装置。The surface shape measuring device according to claim 1 or 2,
A match detection unit that detects a match between the detection signal and the reference value generated by the reference value generation unit,
The surface shape, wherein the reference value holding means holds the reference value when the coincidence detection means detects a match between the detection signal and the reference value generated by the reference value generation means. measuring device.
前記参照値ホールド手段は、前記検出部が前記被測定物表面から離間した位置より前記被測定物表面に向かって移動を開始した時点で前記参照値生成手段で生成された前記参照値をホールドすることを特徴とする表面形状測定装置。The surface shape measuring device according to claim 1 or 2,
The reference value holding unit holds the reference value generated by the reference value generation unit when the detection unit starts moving toward the surface of the device under test from a position separated from the surface of the device under test. A surface shape measuring device, characterized in that:
前記参照値更新手段は、予め設定された一定時間毎に前記検出部と前記被測定物表面との倣い移動を中止させ、前記参照値を更新することを特徴とする表面形状測定装置。In the surface shape measuring device according to any one of claims 1 to 4,
The surface shape measuring apparatus, wherein the reference value updating unit stops the scanning movement between the detection unit and the surface of the object to be measured every predetermined time, and updates the reference value.
前記プローブの近傍温度または前記プローブの温度を測定する温度測定手段を備え、
前記参照値更新手段は、前記温度が予め設定された設定温度幅以上に変化した場合に、前記検出部と前記被測定物表面との倣い移動を中止させ、前記参照値を更新することを特徴とする表面形状測定装置。In the surface shape measuring device according to any one of claims 1 to 4,
A temperature measuring means for measuring a temperature near the probe or a temperature of the probe,
The reference value updating means, when the temperature changes over a preset temperature range, stops the scanning movement between the detection unit and the surface of the device under test, and updates the reference value. Surface profile measuring device.
前記参照値ホールド手段および前記参照値更新手段は、前記参照値生成手段で生成された前記参照値を取り込むアナログ−デジタルコンバータと、
前記アナログ−デジタルコンバータで取り込んだ前記参照値をデジタル処理してホールドするとともに適宜更新するデジタル−シグナルプロセッサと、
前記デジタル−シグナルプロセッサから前記参照値を出力するデジタル−アナログコンバータとを備えて構成されていることを特徴とする表面形状測定装置。In the surface shape measuring device according to any one of claims 1 to 6,
The reference value holding unit and the reference value updating unit, an analog-digital converter that captures the reference value generated by the reference value generation unit,
A digital-signal processor that digitally processes and holds the reference value captured by the analog-digital converter and updates the value as appropriate;
A surface shape measuring device, comprising: a digital-analog converter that outputs the reference value from the digital-signal processor.
前記参照値ホールド手段は、サンプルホールド回路を備えて構成されていることを特徴とする表面形状測定装置。In the surface shape measuring device according to any one of claims 1 to 6,
The surface shape measuring device, wherein the reference value holding means includes a sample hold circuit.
前記参照値を設定する参照値設定手段と、
前記プローブの近傍温度または前記プローブの温度を測定する温度測定手段とが設けられ、
前記参照値設定手段は、
前記温度に基づいて前記参照値を設定することを特徴とする表面形状測定装置。A probe having a detection unit for detecting the surface of the object to be measured and a detection unit for detecting a relative positional relationship between the detection unit and the surface of the object to be measured and outputting a detection signal; and Scanning means for scanning along the scanning means, and the scanning means so that the detection signal when the relative position between the detection unit and the surface of the DUT is at a reference position is a reference value and the detection signal is the reference value. Control device for controlling the surface profile measuring device,
Reference value setting means for setting the reference value,
Temperature measuring means for measuring a temperature near the probe or a temperature of the probe,
The reference value setting means,
A surface shape measuring device, wherein the reference value is set based on the temperature.
前記参照値設定手段は、
前記温度と前記参照値との関係を記録したテーブルと、
前記温度測定手段の測定温度に対応した前記参照値を読み出してホールドする参照値ホールド手段と、
前記温度が予め設定された温度幅以上に変化した場合に、前記参照値ホールド手段の前記参照値を更新する参照値更新手段とを備えて構成されていることを特徴とする表面形状測定装置。The surface shape measuring device according to claim 9,
The reference value setting means,
A table recording a relationship between the temperature and the reference value,
Reference value holding means for reading and holding the reference value corresponding to the measured temperature of the temperature measuring means,
A surface shape measuring apparatus, comprising: a reference value updating unit that updates the reference value of the reference value holding unit when the temperature changes to a predetermined temperature range or more.
前記スタイラスを振動させる加振手段と、
前記スタイラスの近傍温度または前記スタイラスの温度を測定する温度測定手段と、
前記温度に基づいて発振周波数を設定する周波数設定手段とが設けられ、
前記周波数設定手段の出力に基づいて前記加振手段の発振周波数を設定することを特徴とする表面形状測定装置。A probe provided at a tip of a stylus and configured to detect a surface of an object to be measured and a detection unit that detects a relative positional relationship between the detector and the surface of the object to be measured and outputs a detection signal; Scanning means for scanning along the surface of the object to be measured, and the detection signal as a reference value when the relative position between the detection unit and the surface of the object to be measured is at a reference position. Control means for controlling the scanning means so that the surface shape measuring device,
Vibrating means for vibrating the stylus,
Temperature measuring means for measuring the temperature near the stylus or the temperature of the stylus,
Frequency setting means for setting an oscillation frequency based on the temperature is provided,
A surface shape measuring device, wherein an oscillation frequency of the vibrating means is set based on an output of the frequency setting means.
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